一种随机光光学相干结构的精密测量技术

光学操纵和应用涉及物理、信息、材料和生命科学等众多领域。已列入国家“十四五”重大工程和项目。为了更好地促进光束的操纵和应用，开发光学参数(如强度、相位、偏振和频率等)的精密测量技术是至关重要的，这也是一个有趣的课题。与完全相干光束相比，被视为动态随机光场的部分相干光束在复杂环境中具有鲁棒性。随机光场的振幅和相位随时间随机波动，其散斑强度如下图所示。重要的是，有价值的信息嵌入在随机光场的统计特性中。随机电场的光学相干结构作为二阶统计参数，可以决定光束的演化行为、远场强度分布和光-物质相互作用等。到目前为止，具有规定光学相干结构的随机光有已在相干层析成像、鬼成像、超分辨率成像和自由空间光通信中找到应用。最近，还提出了使用随机光的相干结构作为信息载体进行高安全加密和远场鲁棒成像。光学相干结构相关研究的快速发展对光学相干结构的精确测量提出了更高的要求。迄今为止，具有规定光学相干结构的随机光已在相干层析成像、鬼成像、超分辨率成像和自由空间光通信等领域得到应用。最近，还提出了使用随机光的相干结构作为信息载体进行高安全加密和远场鲁棒成像。光学相干结构相关研究的快速发展对光学相干结构的精确测量提出了更高的要求。迄今为止，具有规定光学相干结构的随机光已在相干层析成像、鬼成像、超分辨率成像和自由空间光通信等领域得到应用。最近，还提出了使用随机光的相干结构作为信息载体进行高安全加密和远场鲁棒成像。光学相干结构相关研究的快速发展对光学相干结构的精确测量提出了更高的要求。还提出了使用随机光的相干结构作为信息载体进行高安全加密和远场鲁棒成像。光学相干结构相关研究的快速发展对光学相干结构的精确测量提出了更高的要求。还提出了使用随机光的相干结构作为信息载体进行高安全加密和远场鲁棒成像。光学相干结构相关研究的快速发展对光学相干结构的精确测量提出了更高的要求。

为了完全恢复光学相干结构，作为一个复杂的函数，我们必须同时精确测量它们的实部和虚部(或振幅和相位)。传统上使用杨氏干涉实验测量光学相干结构，其中可以分别根据条纹的可见性和位置预测其幅度和相位。然而，这个实验只考虑了两个位置点。光学相干结构的完整表征需要在光束平面上独立扫描每个点，这需要大量的时间和精力。已经提出对该实验的改进，例如波前折叠干涉仪，相空间方法和自参考全息术，Hanbury Brown and Twiss (HBT) 效应和广义 HBT 效应已被开发用于测量光学相干结构。这些方法涉及复杂的、对未对准和振动敏感的设置，或者仅限于高斯光学统计。尽管付出了所有努力，但测量复杂的光学相干结构仍然是一个开放而巨大的挑战。

近日，山东师范大学蔡扬建教授课题组提出了一种通过广义Arago(或泊松)光斑实验精确测量随机光场光学相干结构的稳健、方便、快速的方案。它有严格的数学解决方案。该方法只需要三次捕获被阻挡的随机光束的远场强度，并且适用于任何光学相干结构，无论其类型和光学统计如何。图 1 显示了随机光场的复杂光学相干结构的生成(第 1 部分)和测量(第 2 部分)的实验装置。在这个设置中，

通过该方法实现了相干结构实部和虚部的仿真和实验结果。与理论结果相比，仿真结果和实测结果的结构相似度SSIM均高于0.98，有力地证明了所提协议的有效性和准确性。此外，他们还对具有非高斯光学统计的谢尔模源和非谢尔模源进行了测量。手稿中给出了相关结果，证明了该方法与随机光束的光学统计和光束类型无关。

借助该协议，他们还实现了随机光场的动态光学图像加密和解密，其中随机光束的相干结构函数作为信息载体。动态(移动和旋转)光学图像“OES”用密钥加密成相干结构。图3(a)~(f)显示了在不同时间测得的相干结构函数的实部和虚部。他们可以使用加密密钥精确地恢复动态光学图像，如图 3(g) ~(h) 所示。图像恢复的速度取决于SLM的刷新率和CCD的帧率。在实验室中，可以解密理想的 20fps 视频。该技术在光信息加密、轨道角动量测量、

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